JP6064977B2 - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents

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Description

この発明は、炭化珪素半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device.

従来、パワーエレクトロニクス機器において、珪素(Si)で形成されたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などのスイッチング素子が使用されていたが、珪素と比べて優れた物性を有する炭化珪素(SiC)で形成されたスイッチング素子の開発が盛んに行われている。   Conventionally, switching elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) formed of silicon (Si) have been used in power electronics equipment, but they have superior physical properties compared to silicon. Development of switching elements formed of silicon carbide (SiC) having a high concentration has been actively conducted.

炭化珪素で形成されたMOSFETの例として、縦型MOSFETであるプレーナ型MOSFETやトレンチゲート型MOSFETがある。プレーナ型MOSFETは、ソース領域間に露出したドリフト層、ベース領域およびソース領域上にゲート絶縁膜が形成される(例えば、特許文献1参照)。   Examples of MOSFETs formed of silicon carbide include planar MOSFETs and trench gate MOSFETs that are vertical MOSFETs. In a planar MOSFET, a gate insulating film is formed on a drift layer, a base region, and a source region exposed between source regions (see, for example, Patent Document 1).

一方、トレンチゲート型MOSFETは、炭化珪素層に凹部であるトレンチを形成し、トレンチ内にゲートを形成したものである。ここで、トレンチは、トレンチの側面が炭化珪素層の表面に対してほぼ垂直になるように形成され、トレンチの側面および底面にゲート絶縁膜が形成される。よって、トレンチの側面において、ソース領域とゲート絶縁膜とが接触することとなる(例えば、特許文献2参照)。   On the other hand, a trench gate type MOSFET is formed by forming a trench as a recess in a silicon carbide layer and forming a gate in the trench. Here, the trench is formed such that the side surface of the trench is substantially perpendicular to the surface of the silicon carbide layer, and a gate insulating film is formed on the side surface and the bottom surface of the trench. Therefore, the source region and the gate insulating film are in contact with each other on the side surface of the trench (see, for example, Patent Document 2).

これらのMOSFETにおいて、炭化珪素基板として、一方の面の面方位が(0001)面である炭化珪素基板を用いた場合、プレーナ型MOSFETでは、ドリフト層、ベース領域およびソース領域の(0001)面と、ゲート絶縁膜と、が接触する。トレンチゲート型MOSFETでは、トレンチの側面は、炭化珪素基板の表面に対してほぼ垂直であるため(11−20)面となり、ソース領域の(11−20)面と、ゲート絶縁膜と、が接触する。   In these MOSFETs, when a silicon carbide substrate in which the surface orientation of one surface is the (0001) plane is used as the silicon carbide substrate, in the planar MOSFET, the (0001) plane of the drift layer, the base region, and the source region And the gate insulating film are in contact with each other. In the trench gate type MOSFET, the side surface of the trench is substantially (11-20) plane because it is substantially perpendicular to the surface of the silicon carbide substrate, and the (11-20) plane of the source region is in contact with the gate insulating film. To do.

また、一方の面の面方位が(11−20)面である炭化珪素基板を用いた場合、プレーナ型MOSFETでは、ドリフト層、ベース領域およびソース領域の(11−20)面と、ゲート絶縁膜と、が接触する。   Further, when a silicon carbide substrate in which the surface orientation of one surface is the (11-20) surface is used, in the planar MOSFET, the (11-20) surface of the drift layer, the base region and the source region, and the gate insulating film And contact.

尚、ここで、「(0001)面」は、炭化珪素のc軸と垂直な面の総称であり、(0001)面(「Si面」とも呼ばれる)と(000−1)面(「c面」とも呼ばれる)とを含む。また、「(11−20)面」は、炭化珪素のa軸(c軸と垂直な軸)と垂直(c軸と平行)な面(「a面」とも呼ばれる)の総称であり、(2−1−10)面、(11−20)面、(−12−10)面、(−2110)面、(−1−120)面、(1−210)面などを含む。   Here, the “(0001) plane” is a general term for planes perpendicular to the c-axis of silicon carbide. The (0001) plane (also referred to as “Si plane”) and the (000-1) plane (“c plane”). Is also called). The “(11-20) plane” is a general term for a plane (also referred to as “a plane”) perpendicular to the a-axis (axis perpendicular to the c-axis) of silicon carbide (parallel to the c-axis) (2 -1-10) plane, (11-20) plane, (-12-10) plane, (-2110) plane, (-1-120) plane, (1-210) plane, and the like.

特開2005−116893号公報(第4頁、図1)Japanese Patent Laying-Open No. 2005-116893 (page 4, FIG. 1) 特開平10−98188号公報(第4〜5頁、図1)JP-A-10-98188 (pages 4-5, FIG. 1)

これらのような炭化珪素半導体装置において、ゲート絶縁膜の信頼性寿命にかかわるリーク特性について、(0001)面上のゲート絶縁膜と(11−20)面上のゲート絶縁膜とで違いがあるかどうかは、これまで詳しく調べられていなかった。また、ソース領域などの不純物濃度が高い領域上のゲート絶縁膜と、ドリフト層などの不純物濃度が低い領域上のゲート絶縁膜と、でリーク特性に違いがあるかどうかについても詳しく調べられていなかった。   In such silicon carbide semiconductor devices, is there a difference between the gate insulating film on the (0001) plane and the gate insulating film on the (11-20) plane in terms of leakage characteristics related to the reliability life of the gate insulating film? How has not been investigated in detail so far. In addition, it has not been examined in detail whether there is a difference in leakage characteristics between a gate insulating film on a high impurity concentration region such as a source region and a gate insulating film on a low impurity concentration region such as a drift layer. It was.

そこで、n型の不純物濃度が1019cm−3台である炭化珪素層の(11−20)面上にゲート絶縁膜を形成したサンプル(以下「サンプルA」という)、n型の不純物濃度が1019cm−3台である炭化珪素層の(0001)面上にゲート絶縁膜を形成したサンプル(以下「サンプルB」という)、n型の不純物濃度が1016cm−3台である炭化珪素層の(0001)面上にゲート絶縁膜を形成したサンプル(以下「サンプルC」という)、について、ゲート絶縁膜のリーク特性を調べた。尚、ここでは、n型の不純物としては窒素を使用し、ゲート絶縁膜は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によって二酸化珪素(SiO)膜を堆積することにより形成した。また、ゲート絶縁膜形成後に窒化処理を行った。 Therefore, a sample (hereinafter referred to as “sample A”) in which a gate insulating film is formed on the (11-20) plane of a silicon carbide layer having an n-type impurity concentration of 10 19 cm −3 , and an n-type impurity concentration is A sample (hereinafter referred to as “sample B”) in which a gate insulating film is formed on the (0001) plane of a silicon carbide layer having 10 19 cm −3 units, and silicon carbide having an n-type impurity concentration of 10 16 cm −3 units For a sample in which a gate insulating film was formed on the (0001) plane of the layer (hereinafter referred to as “sample C”), the leakage characteristics of the gate insulating film were examined. Here, nitrogen is used as the n-type impurity, and the gate insulating film is formed by depositing a silicon dioxide (SiO 2 ) film by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Further, nitriding was performed after the gate insulating film was formed.

図1は、上述の3つのサンプルについてリーク特性を調べた結果を示すグラフであり、ゲート絶縁膜に印加した電界強度とリーク電流密度との関係を示すグラフである。図1において、横軸は、ゲート絶縁膜に印加した電界強度を示し、縦軸は、リーク電流密度を示す。そして、図1において、Aは、サンプルAのリーク特性、Bは、サンプルBのリーク特性、Cは、サンプルCのリーク特性をそれぞれ示している。   FIG. 1 is a graph showing the results of examining the leakage characteristics of the above three samples, and is a graph showing the relationship between the electric field strength applied to the gate insulating film and the leakage current density. In FIG. 1, the horizontal axis indicates the electric field strength applied to the gate insulating film, and the vertical axis indicates the leakage current density. In FIG. 1, A indicates the leak characteristics of sample A, B indicates the leak characteristics of sample B, and C indicates the leak characteristics of sample C.

図1から分かるように、n型の不純物濃度が1019cm−3台である炭化珪素層の(11−20)面上のゲート絶縁膜(サンプルA)では、2〜3MV/cmの電界が印加された段階でリーク電流が流れ始めた。また、(11−20)面上のゲート絶縁膜(サンプルA)は、(0001)面上のゲート絶縁膜(サンプルB)と比較して、2〜3桁程度リーク電流密度が高い値となった。ゲートの通常のオン動作時に3MV程度またはそれ以上の電界がゲート絶縁膜にかかるため、n型の不純物濃度が1019cm−3台である炭化珪素層の(11−20)面上のゲート絶縁膜の信頼性寿命が短くなる懸念がある。さらに、サンプルBとサンプルCとの比較から、炭化珪素層の面方位が同じ(0001)面であっても、不純物濃度が高い炭化珪素層上のゲート絶縁膜の方がリーク電流密度は高くなることが分かった。尚、ここでは、ゲート絶縁膜はCVD法により形成した堆積膜であるが、ゲート絶縁膜を熱酸化膜で形成しても同様の結果が得られる。 As can be seen from FIG. 1, in the gate insulating film (sample A) on the (11-20) plane of the silicon carbide layer having an n-type impurity concentration of 10 19 cm −3 , an electric field of 2 to 3 MV / cm is applied. Leakage current began to flow when it was applied. In addition, the gate insulating film (sample A) on the (11-20) plane has a leakage current density higher by about two to three digits than the gate insulating film (sample B) on the (0001) plane. It was. Since an electric field of about 3 MV or more is applied to the gate insulating film during the normal ON operation of the gate, the gate insulation on the (11-20) plane of the silicon carbide layer having an n-type impurity concentration of 10 19 cm −3 There is a concern that the reliability life of the film may be shortened. Further, from comparison between sample B and sample C, even when the plane orientation of the silicon carbide layer is the same (0001) plane, the leakage current density is higher in the gate insulating film on the silicon carbide layer having a high impurity concentration. I understood that. Here, the gate insulating film is a deposited film formed by a CVD method, but the same result can be obtained even if the gate insulating film is formed of a thermal oxide film.

以上の結果から、炭化珪素層の(0001)面上のゲート絶縁膜よりも(11−20)面上のゲート絶縁膜の方がリーク特性は悪く、さらに、不純物濃度がより高い炭化珪素層上のゲート絶縁膜の方がリーク特性は悪くなることが分かった。つまり、ゲート絶縁膜の信頼性寿命は、ドリフト層等よりも不純物濃度が高く設定されるソース領域の(11−20)面上に形成された部位の信頼性寿命により律速されるという問題点があることが分かった。   From the above results, the gate insulating film on the (11-20) plane has poorer leakage characteristics than the gate insulating film on the (0001) plane of the silicon carbide layer, and on the silicon carbide layer having a higher impurity concentration. It was found that the leakage characteristics of the gate insulating film was worse. In other words, the reliability life of the gate insulating film is limited by the reliability life of the portion formed on the (11-20) plane of the source region where the impurity concentration is set higher than that of the drift layer or the like. I found out.

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、ソース層の(11−20)面上に形成されたゲート絶縁膜のリーク電流密度をより低く抑えることができる炭化珪素半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problem, and a silicon carbide semiconductor capable of further reducing the leakage current density of a gate insulating film formed on the (11-20) plane of a source layer. An object is to provide an apparatus and a method for manufacturing the same.

この発明に係る炭化珪素半導体装置は、一方の面の面方位が(0001)面である炭化珪素基板と、炭化珪素基板の一方の面上に形成された第1導電型の炭化珪素ドリフト層と、炭化珪素ドリフト層の表面を含む箇所に形成された第2導電型の炭化珪素ベース層と、炭化珪素ベース層の表面を含む箇所に形成された第1導電型の炭化珪素ソース層と、炭化珪素ソース層の表面から炭化珪素ベース層を貫通して形成され、(11−20)面を側面とする凹部と、凹部の側面および底面に形成されたゲート絶縁膜と、凹部の内部を満たすように、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、炭化珪素ソース層と接触して形成されたソース電極と、凹部の底面に形成されたゲート絶縁膜と接触して、炭化珪素ドリフト層に形成された第2導電型のゲート絶縁膜保護層とを備え、炭化珪素ソース層は、ゲート絶縁膜と接触して形成された第1ソース領域と、ソース電極と接触し、かつゲート絶縁膜と離れて形成され、不純物濃度が第1ソース領域の不純物濃度より高く設定された第2ソース領域とを有し、ゲート絶縁膜保護層は、ゲート絶縁膜と接触して形成された第1保護領域と、第1保護領域よりも深い部位に形成され、不純物濃度が第1保護領域の不純物濃度よりも高く設定された第2保護領域とを有することを特徴とする。   A silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a silicon carbide substrate in which the surface orientation of one surface is a (0001) surface, a silicon carbide drift layer of a first conductivity type formed on one surface of the silicon carbide substrate, A second conductivity type silicon carbide base layer formed at a location including the surface of the silicon carbide drift layer; a first conductivity type silicon carbide source layer formed at a location including the surface of the silicon carbide base layer; Formed from the surface of the silicon source layer through the silicon carbide base layer, with a recess having the (11-20) plane as side surfaces, gate insulating films formed on the side and bottom surfaces of the recess, and filling the interior of the recess In addition, the gate electrode formed through the gate insulating film, the source electrode formed in contact with the silicon carbide source layer, and the gate insulating film formed on the bottom surface of the recess are in contact with the silicon carbide drift layer. Formed second conductivity type A gate insulating film protective layer, and the silicon carbide source layer is formed in contact with the first source region formed in contact with the gate insulating film, in contact with the source electrode and apart from the gate insulating film, and has an impurity concentration of A second source region set higher than the impurity concentration of the first source region, and the gate insulating film protective layer includes a first protective region formed in contact with the gate insulating film, and a first protective region. And a second protection region formed in a deep part and having an impurity concentration set higher than the impurity concentration of the first protection region.

この発明に係る炭化珪素半導体装置によれば、ソース層の(11−20)面上に形成されたゲート絶縁膜のリーク電流密度をより低く抑えることができ、(11−20)面を側面とする凹部内に形成されたゲート絶縁膜の信頼性を向上することができる。   According to the silicon carbide semiconductor device of the present invention, the leakage current density of the gate insulating film formed on the (11-20) plane of the source layer can be further reduced, and the (11-20) plane is defined as the side surface. The reliability of the gate insulating film formed in the recess to be improved can be improved.

ゲート絶縁膜に印加した電界強度とリーク電流密度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric field strength applied to the gate insulating film, and leakage current density. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2におけるゲート絶縁膜に印加した電界強度とリーク電流密度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric field strength applied to the gate insulating film in Embodiment 2 of this invention, and leakage current density. この発明の実施の形態3における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態4における炭化珪素半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態4における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態4におけるゲート絶縁膜保護層の深さ方向の不純物濃度プロファイルである。It is the impurity concentration profile of the depth direction of the gate insulating-film protective layer in Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態5における炭化珪素半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 5 of this invention. この発明の実施の形態5における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 5 of this invention. この発明の実施の形態5における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 5 of this invention. この発明の実施の形態5における炭化珪素半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 5 of this invention.

実施の形態1.
まず、この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置1aの構成を説明する。図2は、この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置1aを示す断面図である。ここでは、炭化珪素半導体装置1aの一例として、トレンチゲート型MOSFETについて説明する。また、以下では、n型を第1導電型、p型を第2導電型として説明する。
Embodiment 1 FIG.
First, the structure of silicon carbide semiconductor device 1a in the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a cross sectional view showing silicon carbide semiconductor device 1a according to the first embodiment of the present invention. Here, a trench gate type MOSFET will be described as an example of silicon carbide semiconductor device 1a. In the following description, the n-type is assumed to be the first conductivity type and the p-type is assumed to be the second conductivity type.

図1において、n型の炭化珪素基板2の一方の面3上に、n型の炭化珪素ドリフト層6が形成されている。ここで、炭化珪素基板2の一方の面3の面方位は(0001)面である。尚、「(0001)面」は、炭化珪素のc軸方向の面の総称であり、(0001)面(「Si面」とも呼ばれる)と(000−1)面(「c面」とも呼ばれる)とを含む。   In FIG. 1, n-type silicon carbide drift layer 6 is formed on one surface 3 of n-type silicon carbide substrate 2. Here, the plane orientation of one surface 3 of silicon carbide substrate 2 is the (0001) plane. The “(0001) plane” is a general term for planes of silicon carbide in the c-axis direction, and the (0001) plane (also referred to as “Si plane”) and the (000-1) plane (also referred to as “c plane”). Including.

炭化珪素ドリフト層6の表面側には、炭化珪素ドリフト層6の表面を含むようにp型の炭化珪素ベース層7が形成されている。また、炭化珪素ベース層7の表面側には、炭化珪素ベース層7の表面を含むようにn型の炭化珪素ソース層8が形成されている。炭化珪素ソース層8は、第1ソース領域11および第2ソース領域12を有し、第1ソース領域11の不純物濃度は、第2ソース領域12の不純物濃度よりも低く設定されている。   A p-type silicon carbide base layer 7 is formed on the surface side of silicon carbide drift layer 6 so as to include the surface of silicon carbide drift layer 6. An n-type silicon carbide source layer 8 is formed on the surface side of silicon carbide base layer 7 so as to include the surface of silicon carbide base layer 7. Silicon carbide source layer 8 includes first source region 11 and second source region 12, and the impurity concentration of first source region 11 is set lower than the impurity concentration of second source region 12.

そして、炭化珪素ソース層8の表面から炭化珪素ベース層7を貫通して炭化珪素ドリフト層6にまで達するように、凹部であるトレンチ13が形成されている。   Trench 13 that is a recess is formed so as to penetrate silicon carbide base layer 7 and reach silicon carbide drift layer 6 from the surface of silicon carbide source layer 8.

トレンチ13の側面16は、炭化珪素基板2の一方の面3と垂直、つまり炭化珪素ソース層8の表面と垂直になるように形成されるため、(11−20)面となっている。従って、トレンチ13の側面16は、炭化珪素ソース層8の第1ソース領域11、炭化珪素ベース層7および炭化珪素ドリフト層6の(11−20)面で形成される。   Since side surface 16 of trench 13 is formed to be perpendicular to one surface 3 of silicon carbide substrate 2, that is, to be perpendicular to the surface of silicon carbide source layer 8, it is a (11-20) surface. Therefore, side surface 16 of trench 13 is formed by (11-20) plane of first source region 11 of silicon carbide source layer 8, silicon carbide base layer 7 and silicon carbide drift layer 6.

尚、「(11−20)面」は、炭化珪素のa軸(c軸と垂直な軸)と垂直(c軸と平行)な面(「a面」とも呼ばれる)の総称であり、(2−1−10)面、(11−20)面、(−12−10)面、(−2110)面、(−1−120)面、(1−210)面などを含む。   The “(11-20) plane” is a general term for a plane (also referred to as “a plane”) perpendicular to the a-axis (axis perpendicular to the c-axis) of silicon carbide (parallel to the c-axis) (2 -1-10) plane, (11-20) plane, (-12-10) plane, (-2110) plane, (-1-120) plane, (1-210) plane, and the like.

トレンチ13の底面17は、炭化珪素基板2の一方の面3と平行に、つまり炭化珪素ドリフト層6の表面と平行に形成されるため、(0001)面となっている。よって、トレンチ13の底面17は、炭化珪素ドリフト層6の(0001)面で形成される。   Bottom surface 17 of trench 13 is a (0001) plane because it is formed in parallel with one surface 3 of silicon carbide substrate 2, that is, in parallel with the surface of silicon carbide drift layer 6. Therefore, bottom surface 17 of trench 13 is formed by the (0001) plane of silicon carbide drift layer 6.

トレンチ13の内面、即ち、側面16上および底面17上には、ゲート絶縁膜18が形成されている。よって、炭化珪素ソース層8の第1ソース領域11、炭化珪素ベース層7および炭化珪素ドリフト層6の(11−20)面とゲート絶縁膜18とが接触し、炭化珪素ドリフト層6の(0001)面とゲート絶縁膜18とが接触することとなる。   A gate insulating film 18 is formed on the inner surface of the trench 13, that is, on the side surface 16 and the bottom surface 17. Therefore, the (11-20) plane of first source region 11, silicon carbide base layer 7 and silicon carbide drift layer 6 of silicon carbide source layer 8 is in contact with gate insulating film 18, and (0001) of silicon carbide drift layer 6 is (0001). ) Surface and the gate insulating film 18 come into contact with each other.

そして、トレンチ13の内部を満たすように、ゲート絶縁膜18上にはゲート電極21が形成され、ゲート電極21を上側から覆うように層間絶縁膜22が形成されている。炭化珪素ソース層8の第2ソース領域12上には、第2ソース領域12と接触してソース電極23が形成されている。また、炭化珪素基板2の他方の面26には、ドレイン電極27が形成されている。   A gate electrode 21 is formed on the gate insulating film 18 so as to fill the inside of the trench 13, and an interlayer insulating film 22 is formed so as to cover the gate electrode 21 from above. On the second source region 12 of the silicon carbide source layer 8, a source electrode 23 is formed in contact with the second source region 12. A drain electrode 27 is formed on the other surface 26 of the silicon carbide substrate 2.

次に、この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置1aの製造方法について説明する。図3〜図9は、それぞれ、この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置1aの製造方法の一部を示す断面図である。   Next, a method for manufacturing silicon carbide semiconductor device 1a in the first embodiment of the present invention will be described. 3 to 9 are cross sectional views showing a part of the method for manufacturing silicon carbide semiconductor device 1a in the first embodiment of the present invention.

まず、一方の面3の面方位が(0001)面であり、4Hのポリタイプを有し、n型で低抵抗の炭化珪素基板2を準備する。そして、図3に示すように、炭化珪素基板2の一方の面3上に、CVD法により、n型の不純物濃度が例えば1×1015〜1×1017cm−3で、5〜50μmの厚さの炭化珪素ドリフト層6をエピタキシャル成長する。尚、炭化珪素基板2のポリタイプは、4Hには限らず、6Hや3Cなど他のものでもよい。 First, a silicon carbide substrate 2 having a plane orientation of one surface 3 of (0001), a 4H polytype, an n-type, and a low resistance is prepared. Then, as shown in FIG. 3, the n-type impurity concentration is, for example, 1 × 10 15 to 1 × 10 17 cm −3 and 5 to 50 μm on one surface 3 of the silicon carbide substrate 2 by CVD. A thick silicon carbide drift layer 6 is epitaxially grown. The polytype of silicon carbide substrate 2 is not limited to 4H, but may be other types such as 6H and 3C.

以下で、イオン注入を行う工程について説明するが、イオン注入するn型の不純物としては、例えば窒素、リン、ヒ素などを用い、p型の不純物としては、例えばアルミニウム、ホウ素、ガリウムなどを用いる。   Hereinafter, a process of performing ion implantation will be described. For example, nitrogen, phosphorus, arsenic, or the like is used as an n-type impurity to be ion-implanted, and aluminum, boron, gallium, or the like is used as a p-type impurity.

次に、図4に示すように、炭化珪素ドリフト層6の表面側から、p型の不純物をイオン注入し、炭化珪素ドリフト層6の表面を含む箇所にp型の炭化珪素ベース層7が形成する。   Next, as shown in FIG. 4, p-type impurities are ion-implanted from the surface side of silicon carbide drift layer 6 to form p-type silicon carbide base layer 7 at a location including the surface of silicon carbide drift layer 6. To do.

イオン注入するp型の不純物濃度は、MOSFETのオフ状態時に炭化珪素ドリフト層6と炭化珪素ベース層7と炭化珪素ソース層8でのパンチスルーを防止するため、1×1017〜1×1019cm−3の範囲で炭化珪素ドリフト層6のn型の不純物濃度を超えるものとする。また、イオン注入の深さは、0.5〜3μm程度とし、炭化珪素ドリフト層6の厚さを超えないものとする。 The p-type impurity concentration for ion implantation is 1 × 10 17 to 1 × 10 19 in order to prevent punch-through in the silicon carbide drift layer 6, the silicon carbide base layer 7, and the silicon carbide source layer 8 when the MOSFET is off. It is assumed that the n-type impurity concentration of silicon carbide drift layer 6 is exceeded in the range of cm −3 . The depth of ion implantation is about 0.5 to 3 μm and does not exceed the thickness of silicon carbide drift layer 6.

次に、炭化珪素ベース層7の表面を含む箇所に炭化珪素ソース層8を形成する工程について説明する。まず、炭化珪素ベース層7の表面にレジストによってマスクを形成し、炭化珪素ベース層7の表面側から、n型の不純物をイオン注入する。これにより、炭化珪素ベース層7の表面を含む箇所に炭化珪素ソース層8の第1ソース領域11が形成される。レジストを除去した後の断面図を図5に示す。   Next, a process of forming silicon carbide source layer 8 at a location including the surface of silicon carbide base layer 7 will be described. First, a mask is formed on the surface of the silicon carbide base layer 7 with a resist, and n-type impurities are ion-implanted from the surface side of the silicon carbide base layer 7. Thereby, first source region 11 of silicon carbide source layer 8 is formed at a location including the surface of silicon carbide base layer 7. FIG. 5 shows a cross-sectional view after removing the resist.

次に、炭化珪素ソース層8の第1ソース領域11および炭化珪素ベース層7の表面にレジストによってマスクを形成し、n型の不純物をイオン注入する。これにより、炭化珪素ベース層7の表面を含む箇所に炭化珪素ソース層8の第2ソース領域12が形成される。つまり、これにより、炭化珪素ベース層7の表面を含む箇所に炭化珪素ソース層8が形成されたこととなる。レジストを除去した後の断面図を図6に示す。   Next, a mask is formed with a resist on the surface of first source region 11 and silicon carbide base layer 7 of silicon carbide source layer 8, and n-type impurities are ion-implanted. Thereby, second source region 12 of silicon carbide source layer 8 is formed at a location including the surface of silicon carbide base layer 7. That is, as a result, silicon carbide source layer 8 is formed at a location including the surface of silicon carbide base layer 7. A cross-sectional view after removing the resist is shown in FIG.

ここで、イオン注入するn型の不純物濃度は、第2ソース領域12では、1×1018〜1×1021cm−3の範囲で炭化珪素ベース層7のp型の不純物濃度を超えるものとする。これにより、ソース電極23と良好なコンタクトが得られる。そして、第1ソース領域11の不純物濃度は、第2ソース領域12の不純物濃度よりも低く、かつ、炭化珪素ベース層7のp型の不純物濃度を超えるように設定するが、できるだけ不純物濃度を低く設定する方が好ましい。また、炭化珪素ソース層8となる第1ソース領域11および第2ソース領域12のイオン注入の深さは、炭化珪素ベース層7の厚さを超えないものとする。 Here, the n-type impurity concentration for ion implantation exceeds the p-type impurity concentration of the silicon carbide base layer 7 in the range of 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 in the second source region 12. To do. Thereby, a good contact with the source electrode 23 is obtained. The impurity concentration of first source region 11 is set to be lower than the impurity concentration of second source region 12 and to exceed the p-type impurity concentration of silicon carbide base layer 7, but the impurity concentration should be as low as possible. It is preferable to set. In addition, the depth of ion implantation of first source region 11 and second source region 12 to be silicon carbide source layer 8 does not exceed the thickness of silicon carbide base layer 7.

次に、炭化珪素ソース層8および炭化珪素ベース層7の表面にCVD法により二酸化珪素を堆積し、マスクを形成する。そして、このマスクを使用して炭化珪素ソース層8、炭化珪素ベース層7および炭化珪素ドリフト層6を異方性エッチングすることにより、凹部であるトレンチ13を形成する。二酸化珪素のマスクを除去した後の断面図を図7に示す。尚、エッチング用のマスクは二酸化珪素に限ることはなく、例えば蒸着などで金属膜を形成してマスクとしてもよい。   Next, silicon dioxide is deposited by CVD on the surfaces of silicon carbide source layer 8 and silicon carbide base layer 7 to form a mask. Then, by using this mask, the silicon carbide source layer 8, the silicon carbide base layer 7, and the silicon carbide drift layer 6 are anisotropically etched to form a trench 13 that is a recess. A cross-sectional view after removing the silicon dioxide mask is shown in FIG. Note that the etching mask is not limited to silicon dioxide, and a metal film may be formed by vapor deposition or the like, for example.

トレンチ13の深さは0.5〜3μm程度とし、炭化珪素ソース層8の表面から炭化珪素ベース層7を貫通して炭化珪素ドリフト層6にまで達するように形成する。トレンチ13の側面16は、炭化珪素基板2の一方の面3と垂直、つまり炭化珪素ソース層8の表面と垂直になるように、そして、トレンチの底面17は、炭化珪素基板2の一方の面3と平行に、つまり炭化珪素ドリフト層6の表面と平行になるように形成する。これにより、トレンチ13の側面16は、炭化珪素ソース層8の第1ソース領域11、炭化珪素ベース層7および炭化珪素ドリフト層6の(11−20)面で形成され、トレンチ13の底面17は、炭化珪素ドリフト層6の(0001)面で形成される。   The depth of trench 13 is about 0.5 to 3 μm, and is formed so as to penetrate through silicon carbide base layer 7 to the silicon carbide drift layer 6 from the surface of silicon carbide source layer 8. Side surface 16 of trench 13 is perpendicular to one surface 3 of silicon carbide substrate 2, that is, perpendicular to the surface of silicon carbide source layer 8, and bottom surface 17 of the trench is one surface of silicon carbide substrate 2. 3, that is, in parallel with the surface of the silicon carbide drift layer 6. Thereby, side surface 16 of trench 13 is formed by (11-20) plane of first source region 11 of silicon carbide source layer 8, silicon carbide base layer 7 and silicon carbide drift layer 6, and bottom surface 17 of trench 13 is The silicon carbide drift layer 6 is formed of the (0001) plane.

次に、熱処理装置を用いて、例えばアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で、1300〜1900℃の範囲で30秒〜1時間のアニールを行う。このアニールにより、イオン注入されたアルミニウムや窒素などの不純物イオンが電気的に活性化される。   Next, annealing is performed for 30 seconds to 1 hour in the range of 1300 to 1900 ° C. in an inert gas atmosphere such as argon using a heat treatment apparatus. By this annealing, impurity ions such as aluminum and nitrogen implanted are electrically activated.

次に、図8に示すように、トレンチ13の内面、即ち、側面16および底面17と、炭化珪素ソース層8上と、炭化珪素ベース層7上と、に所望の膜厚のゲート絶縁膜18を形成する。トレンチ13の側面16にゲート絶縁膜18が形成されるため、炭化珪素ソース層8の第1ソース領域11、炭化珪素ベース層7および炭化珪素ドリフト層6の(11−20)面とゲート絶縁膜18とが接触することとなる。   Next, as shown in FIG. 8, the gate insulating film 18 having a desired thickness is formed on the inner surface of the trench 13, that is, the side surface 16 and the bottom surface 17, the silicon carbide source layer 8, and the silicon carbide base layer 7. Form. Since gate insulating film 18 is formed on side surface 16 of trench 13, (11-20) plane of first source region 11 of silicon carbide source layer 8, silicon carbide base layer 7 and silicon carbide drift layer 6, and the gate insulating film 18 will come into contact.

ここで、ゲート絶縁膜18は、CVD法などにより二酸化珪素(SiO)膜を堆積することによって、または、炭化珪素の表面を熱酸化することにより二酸化珪素膜を形成することによって形成する。尚、この後に窒化処理を行うとSiOはSiONとなるため、ここでSiO膜ではなく、SiON膜を直接形成してもよい。また、炭化珪素と接触する側がSiOまたはSiONである多層膜でもよく、Alなどの金属酸化膜やSiNなどを積層してもよい。つまり、ゲート絶縁膜18は酸化珪素を主成分とするものであればよい。 Here, the gate insulating film 18 is formed by depositing a silicon dioxide (SiO 2 ) film by a CVD method or the like, or by forming a silicon dioxide film by thermally oxidizing the surface of silicon carbide. Note that if nitriding is performed thereafter, SiO 2 becomes SiON. Therefore, instead of the SiO 2 film, a SiON film may be directly formed. Further, a multilayer film in which the side in contact with silicon carbide is SiO 2 or SiON may be used, or a metal oxide film such as Al 2 O 3 or SiN may be laminated. That is, the gate insulating film 18 only needs to have silicon oxide as a main component.

次に、熱処理装置を用いて、一酸化窒素(NO)、一酸化二窒素(NO)またはアンモニア(NH)を含む雰囲気中で熱処理を行い、窒化処理を行う。その後に、HOやH雰囲気中でさらに熱処理を行ってもよい。 Next, using a heat treatment apparatus, heat treatment is performed in an atmosphere containing nitric oxide (NO), dinitrogen monoxide (N 2 O), or ammonia (NH 3 ) to perform nitriding treatment. Thereafter, heat treatment may be further performed in an H 2 O or H 2 atmosphere.

次に、図9に示すように、ゲート絶縁膜18と接触し、トレンチ13の内部を満たすように、ゲート電極21を形成する。ゲート電極21は、導電性を有する多結晶珪素膜をCVD法によって形成し、パターニングすることにより形成する。   Next, as shown in FIG. 9, the gate electrode 21 is formed so as to contact the gate insulating film 18 and fill the inside of the trench 13. The gate electrode 21 is formed by forming and patterning a conductive polycrystalline silicon film by the CVD method.

次に、ゲート電極21を上側から覆うように層間絶縁膜22をCVD法により形成する。そして、ソース電極23を形成する領域の層間絶縁膜22およびゲート絶縁膜18を除去する。そして、炭化珪素ソース層8の第2ソース領域12と接触するようにソース電極23を形成し、炭化珪素基板2の他方の面26にドレイン電極27を形成する。ソース電極23およびドレイン電極27は、スパッタリング法や蒸着法などによって形成され、材料としては、アルミニウム合金などを用いる。以上で、図2に示すこの発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置1aが完成する。   Next, an interlayer insulating film 22 is formed by a CVD method so as to cover the gate electrode 21 from above. Then, the interlayer insulating film 22 and the gate insulating film 18 in the region where the source electrode 23 is formed are removed. Then, source electrode 23 is formed so as to be in contact with second source region 12 of silicon carbide source layer 8, and drain electrode 27 is formed on the other surface 26 of silicon carbide substrate 2. The source electrode 23 and the drain electrode 27 are formed by a sputtering method, an evaporation method, or the like, and an aluminum alloy or the like is used as a material. Thus, silicon carbide semiconductor device 1a in the first embodiment of the present invention shown in FIG. 2 is completed.

この発明の実施の形態1では、以上のような構成としたことにより、炭化珪素ソース層8の(11−20)面上に形成されたゲート絶縁膜18のリーク電流密度をより低く抑えることができる。これにより、ゲート絶縁膜18の信頼性寿命を延ばすことができるという効果がある。さらに、不純物濃度が低い第1ソース領域11を設けてゲート絶縁膜18のリーク電流密度を低く抑える一方で、不純物濃度が高い第2ソース領域12を設けたため、ソース電極23と炭化珪素ソース層8との間には良好なコンタクトが得られる。   In the first embodiment of the present invention, the configuration as described above can suppress the leakage current density of gate insulating film 18 formed on the (11-20) plane of silicon carbide source layer 8 to a lower level. it can. Thereby, there is an effect that the reliability life of the gate insulating film 18 can be extended. Further, the first source region 11 having a low impurity concentration is provided to suppress the leakage current density of the gate insulating film 18 while the second source region 12 having a high impurity concentration is provided. Therefore, the source electrode 23 and the silicon carbide source layer 8 are provided. Good contact can be obtained between the two.

また、炭化珪素半導体装置1aを作製する際は、一方の面3の面方位が(0001)面である炭化珪素基板2を使用することが多いため、炭化珪素ソース層8および炭化珪素ベース層7の(11−20)面を側面16、炭化珪素ドリフト層6の(0001)面を底面17とするトレンチ13を備え、トレンチ13の側面16および底面17にゲート絶縁膜18が形成されたトレンチゲート型の炭化珪素半導体装置において、特に有効である。   In manufacturing silicon carbide semiconductor device 1a, silicon carbide substrate 2 in which the plane orientation of one surface 3 is the (0001) plane is often used, and therefore silicon carbide source layer 8 and silicon carbide base layer 7 are used. A trench gate having a trench 13 having a (11-20) plane as a side surface 16 and a (0001) plane of the silicon carbide drift layer 6 as a bottom surface 17 and a gate insulating film 18 formed on the side surface 16 and the bottom surface 17 of the trench 13. This is particularly effective in the type of silicon carbide semiconductor device.

また、酸化珪素を主成分とする熱酸化膜または堆積膜によりゲート絶縁膜18を形成することにより、容易にゲート絶縁膜18を形成することができる。   Further, the gate insulating film 18 can be easily formed by forming the gate insulating film 18 from a thermal oxide film or a deposited film containing silicon oxide as a main component.

また、第1ソース領域11を炭化珪素ベース層7へのイオン注入によって形成することにより、容易に第1ソース領域11を形成することができる。さらに、第2にソース領域12を第1ソース領域11へのイオン注入によって形成することにより、容易に第2ソース領域を形成することができる。   Moreover, the first source region 11 can be easily formed by forming the first source region 11 by ion implantation into the silicon carbide base layer 7. Further, secondly, by forming the source region 12 by ion implantation into the first source region 11, the second source region can be easily formed.

尚、この発明の実施の形態1では、炭化珪素基板2の一方の面3の面方位が(0001)面であるものを用いた。しかし、厳密に(0001)面と一致していなくとも、(0001)面とほぼ平行であればよい。   In the first embodiment of the present invention, the silicon carbide substrate 2 in which the surface orientation of one surface 3 is the (0001) surface is used. However, even if it is not exactly coincident with the (0001) plane, it may be substantially parallel to the (0001) plane.

また、トレンチ13の側面16が、炭化珪素基板2の一方の面3と垂直に、つまり炭化珪素ソース層8の表面と垂直になるように形成した。しかし、厳密に垂直である必要はなく、ほぼ垂直であればよい。即ち、トレンチ13の側面16は、厳密に(11−20)面と一致していなくとも、(11−20)面とほぼ平行な面になっていれば効果が得られる。   Further, side surface 16 of trench 13 was formed to be perpendicular to one surface 3 of silicon carbide substrate 2, that is, perpendicular to the surface of silicon carbide source layer 8. However, it does not have to be strictly vertical, and may be almost vertical. That is, even if the side surface 16 of the trench 13 does not exactly coincide with the (11-20) plane, the effect can be obtained if it is a plane substantially parallel to the (11-20) plane.

トレンチ13の底面17が、炭化珪素基板2の一方の面3と平行に、つまり炭化珪素ドリフト層6の表面と平行になるように形成し、底面17が(0001)面となるようにした。しかし、トレンチ13の底面17は、炭化珪素基板2の一方の面3と厳密に平行である必要も、ほぼ平行である必要もない。即ち、トレンチ13の底面17は、(0001)面と一致していなくてもよく、平面である必要もない。例えば曲面で形成されていてもよい。   Bottom surface 17 of trench 13 was formed to be parallel to one surface 3 of silicon carbide substrate 2, that is, to be parallel to the surface of silicon carbide drift layer 6, and bottom surface 17 was a (0001) surface. However, the bottom surface 17 of the trench 13 does not need to be strictly parallel or substantially parallel to the one surface 3 of the silicon carbide substrate 2. That is, the bottom surface 17 of the trench 13 does not have to coincide with the (0001) plane and does not need to be a plane. For example, it may be formed with a curved surface.

さらに、この発明の実施の形態1では、トレンチ13の深さを、炭化珪素ドリフト層6の一部までエッチングする深さに設定したが、炭化珪素ベース層7を除去してちょうど炭化珪素ドリフト層6の表面が露出する深さまでとしてもよい。従って、トレンチ13の底面17は、n型の炭化珪素ドリフト層6の表面で形成されていればよく、トレンチ13の側面16は、炭化珪素ドリフト層6の面を含まずに第1ソース領域11および炭化珪素ベース層7の面だけで形成されていてもよい。   Furthermore, in Embodiment 1 of the present invention, the depth of trench 13 is set to a depth at which etching is performed up to a part of silicon carbide drift layer 6, but silicon carbide base layer 7 is removed and just a silicon carbide drift layer is formed. It is good also to the depth to which the surface of 6 is exposed. Therefore, the bottom surface 17 of the trench 13 only needs to be formed by the surface of the n-type silicon carbide drift layer 6, and the side surface 16 of the trench 13 does not include the surface of the silicon carbide drift layer 6 and the first source region 11. Alternatively, it may be formed only on the surface of silicon carbide base layer 7.

また、この発明の実施の形態1では、炭化珪素ソース層8に不純物濃度の異なる第1ソース領域11と第2ソース領域12の2つの領域を設けた。しかし、不純物濃度の異なる3つ以上の領域としてもよい。この場合、ゲート絶縁膜18と接触する領域の不純物濃度はできるだけ低くし、ソース電極23と接触する領域の不純物濃度は良好なコンタクトが得られる濃度とする。   In the first embodiment of the present invention, two regions of the first source region 11 and the second source region 12 having different impurity concentrations are provided in the silicon carbide source layer 8. However, three or more regions having different impurity concentrations may be used. In this case, the impurity concentration in the region in contact with the gate insulating film 18 is made as low as possible, and the impurity concentration in the region in contact with the source electrode 23 is set to a concentration at which a good contact can be obtained.

この発明の実施の形態1では、炭化珪素ソース層8に不純物濃度が明確に異なる第1ソース領域11と第2ソース領域12の2つの領域を設けたが、例えばゲート絶縁膜18から遠ざかりソース電極23に近づくにつれて連続的に不純物濃度が高くなるようにしてもよい。   In the first embodiment of the present invention, two regions of the first source region 11 and the second source region 12 having clearly different impurity concentrations are provided in the silicon carbide source layer 8. For example, the source electrode is separated from the gate insulating film 18. The impurity concentration may be continuously increased as the value approaches 23.

尚、この発明の実施の形態1では、ソース電極23と炭化珪素ベース層7のコンタクトを取るために、ソース電極23が炭化珪素ソース層8の第2ソース領域12と炭化珪素ベース層7の両方に接触するように形成した。ソース電極23と炭化珪素ベース層7とのコンタクトをより良好なものとしたい場合は、炭化珪素ベース層7のソース電極23と接触する領域に、より高濃度のp型のベースコンタクト領域を設ければよい。また、ソース電極23が第2ソース領域12のみに接触して炭化珪素ベース層7に接触しなくとも、デバイスとしては動作するため、そのようにしてもよい。   In the first embodiment of the present invention, in order to make contact between source electrode 23 and silicon carbide base layer 7, source electrode 23 has both second source region 12 of silicon carbide source layer 8 and silicon carbide base layer 7. It was formed so as to be in contact with. In order to improve the contact between source electrode 23 and silicon carbide base layer 7, a higher concentration p-type base contact region can be provided in a region in contact with source electrode 23 of silicon carbide base layer 7. That's fine. Further, since the device operates as a device even if the source electrode 23 contacts only the second source region 12 and does not contact the silicon carbide base layer 7, it may be so.

また、この発明の実施の形態1では、炭化珪素ベース層7の表面を含む箇所に炭化珪素ソース層8を形成する工程において、炭化珪素ベース層7の表面にレジストによってマスクを形成してイオン注入を行い、第1ソース領域11を形成した。しかし、ここでマスクを形成せずに、炭化珪素ベース層7の全面にイオン注入を行ってもよい。こうすることで、マスクを形成する工程を減らすことができ、コストを下げることができる。   In Embodiment 1 of the present invention, in the step of forming silicon carbide source layer 8 at a location including the surface of silicon carbide base layer 7, a mask is formed on the surface of silicon carbide base layer 7 with a resist to perform ion implantation. Then, the first source region 11 was formed. However, ion implantation may be performed on the entire surface of silicon carbide base layer 7 without forming a mask here. By doing so, the steps for forming the mask can be reduced, and the cost can be reduced.

この発明の実施の形態1では、炭化珪素ソース層8を形成する工程において、まず第1ソース領域11を形成し、その後、第2ソース領域12を形成した。しかし、この順序は逆でもよく、炭化珪素ベース層7の表面にマスクを形成して、まず第2ソース領域12となる領域にイオン注入を行い、その後、第1ソース領域11となる領域にイオン注入してもよい。   In Embodiment 1 of the present invention, in the step of forming silicon carbide source layer 8, first source region 11 is formed first, and then second source region 12 is formed. However, this order may be reversed, and a mask is formed on the surface of the silicon carbide base layer 7. First, ion implantation is performed in a region to be the second source region 12, and then ion implantation is performed in the region to be the first source region 11. It may be injected.

また、第1ソース領域11については、トレンチ13を形成した後に、トレンチ13の形成に使用したマスクを除去する前に、トレンチ13の側面16側から斜め方向にイオン注入を行って形成してもよい。   Further, the first source region 11 may be formed by implanting ions obliquely from the side surface 16 side of the trench 13 after forming the trench 13 and before removing the mask used for forming the trench 13. Good.

この発明の実施の形態1では、p型の不純物をイオン注入することにより、炭化珪素ドリフト層6の表面を含む箇所にp型の炭化珪素ベース層7を形成した。しかし、イオン注入の代わりに、炭化珪素ドリフト層6の表面上に、即ち、炭化珪素ドリフト層6の表面を含む箇所に、CVD法によりエピタキシャル成長することによって炭化珪素ベース層7を形成してもよい。この場合も、炭化珪素ベース層7の不純物濃度や厚さは、イオン注入によって形成する場合と同様とすればよい。   In Embodiment 1 of the present invention, p-type silicon carbide base layer 7 is formed at a location including the surface of silicon carbide drift layer 6 by ion implantation of p-type impurities. However, instead of ion implantation, silicon carbide base layer 7 may be formed by epitaxial growth on the surface of silicon carbide drift layer 6, that is, at a location including the surface of silicon carbide drift layer 6 by the CVD method. . Also in this case, the impurity concentration and thickness of the silicon carbide base layer 7 may be the same as those formed by ion implantation.

尚、この発明の実施の形態1では、n型を第1導電型、p型を第2導電型とした。しかし、逆にp型を第1導電型、n型を第2導電型としても同様である。   In the first embodiment of the present invention, the n-type is the first conductivity type and the p-type is the second conductivity type. However, conversely, p-type is the first conductivity type and n-type is the second conductivity type.

また、この発明の実施の形態1では、炭化珪素半導体装置1aの一例として、一方の面3の面方位が(0001)面である炭化珪素基板2を用いたトレンチゲート型MOSFETについて説明した。しかし、一方の面3の面方位が(11−20)面である炭化珪素基板2を用いたプレーナ型MOSFETにおいても、ゲート絶縁膜18が炭化珪素ソース層8の(11−20)面と接触するため、炭化珪素ソース層8のゲート絶縁膜18と接触する領域を第1ソース領域11とし、炭化珪素ソース層8のソース電極23と接触する領域を第2ソース領域12とすれば同様の効果が得られる。   In the first embodiment of the present invention, a trench gate type MOSFET using silicon carbide substrate 2 in which the surface orientation of one surface 3 is the (0001) plane has been described as an example of silicon carbide semiconductor device 1a. However, also in the planar MOSFET using the silicon carbide substrate 2 in which the plane orientation of one surface 3 is the (11-20) plane, the gate insulating film 18 is in contact with the (11-20) plane of the silicon carbide source layer 8. Therefore, if the region of the silicon carbide source layer 8 in contact with the gate insulating film 18 is the first source region 11 and the region of the silicon carbide source layer 8 in contact with the source electrode 23 is the second source region 12, the same effect is obtained. Is obtained.

この発明の実施の形態1では、縦型MOSFETについて説明したが、炭化珪素ソース層8に第1ソース領域11および第2ソース領域12を形成することは、横型MOSFETにも適用でき、同様の効果が得られる。また、MOSFETにも限らず、例えばIGBTなどにも適用できる。   In the first embodiment of the present invention, the vertical MOSFET has been described. However, the formation of the first source region 11 and the second source region 12 in the silicon carbide source layer 8 can also be applied to the lateral MOSFET, and the same effect. Is obtained. Further, the present invention can be applied not only to MOSFET but also to IGBT, for example.

実施の形態2.
図10〜図12は、それぞれ、この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置1aの製造方法の一部を示す断面図である。図10において図5と同じ符号を付けたもの、図11において図6と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。この発明の実施の形態1とは、炭化珪素ソース層8となる部位をエピタキシャル成長によって形成する点が相違している。
Embodiment 2. FIG.
10 to 12 are cross sectional views showing a part of the method for manufacturing silicon carbide semiconductor device 1a in the second embodiment of the present invention. 10 with the same reference numerals as in FIG. 5 and those with the same reference numerals as in FIG. 6 in FIG. 11 indicate the same or corresponding components, and the description thereof is omitted. The first embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that a portion to be a silicon carbide source layer 8 is formed by epitaxial growth.

この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置1aの製造方法について説明する。尚、ここでは、この発明の実施の形態1と同様の部分については説明を省略する。   A method for manufacturing silicon carbide semiconductor device 1a in the second embodiment of the present invention will be described. In addition, description is abbreviate | omitted here about the part similar to Embodiment 1 of this invention.

まず、図4に示す、炭化珪素ドリフト層6の表面を含む箇所にp型の炭化珪素ベース層7を形成する工程までは、この発明の実施の形態1と同様である。尚、炭化珪素ベース層7は、エピタキシャル成長によって形成してもよい。   First, the process up to the step of forming p-type silicon carbide base layer 7 at a location including the surface of silicon carbide drift layer 6 shown in FIG. 4 is the same as in the first embodiment of the present invention. Silicon carbide base layer 7 may be formed by epitaxial growth.

次に、図10に示すように、炭化珪素ベース層7の表面上に、即ち、炭化珪素ベース層7の表面を含む箇所に、CVD法によりエピタキシャル成長することによって炭化珪素ソース層8の第1ソース領域11を形成する。   Next, as shown in FIG. 10, the first source of silicon carbide source layer 8 is epitaxially grown on the surface of silicon carbide base layer 7, that is, at a location including the surface of silicon carbide base layer 7 by the CVD method. Region 11 is formed.

この発明の実施の形態1のように炭化珪素ソース層8を炭化珪素ベース層7へのイオン注入で形成する場合は、炭化珪素ソース層8の不純物濃度の下限値が、炭化珪素ベース層7の不純物濃度によって制限される。しかし、この発明の実施の形態2では、炭化珪素ソース層8をエピタキシャル成長によって形成することにより、炭化珪素ソース層8の第1ソース領域11の不純物濃度を、炭化珪素ベース層7の不純物濃度に制限されることなく、より低い値とすることができる。例えば1×1016cm−3以下に設定することも容易であり、1014cm−3台に設定することも可能である。 When silicon carbide source layer 8 is formed by ion implantation into silicon carbide base layer 7 as in the first embodiment of the present invention, the lower limit of the impurity concentration of silicon carbide source layer 8 is that of silicon carbide base layer 7. Limited by impurity concentration. However, in Embodiment 2 of the present invention, silicon carbide source layer 8 is formed by epitaxial growth, so that the impurity concentration of first source region 11 of silicon carbide source layer 8 is limited to the impurity concentration of silicon carbide base layer 7. A lower value can be achieved without doing so. For example, it is easy to set to 1 × 10 16 cm −3 or less, and it is also possible to set to 10 14 cm −3 units.

次に、炭化珪素ソース層8の第1ソース領域11の表面にレジストによってマスクを形成し、n型の不純物をイオン注入する。これにより、炭化珪素ソース層8の第2ソース領域12が形成される。レジストを除去した後の断面図を図11に示す。   Next, a mask is formed on the surface of the first source region 11 of the silicon carbide source layer 8 with a resist, and n-type impurities are ion-implanted. Thereby, second source region 12 of silicon carbide source layer 8 is formed. FIG. 11 shows a cross-sectional view after removing the resist.

次に、第1ソース領域11および第2ソース領域12の表面にレジストによってマスクを形成し、p型の不純物をイオン注入する。これにより、ソース電極23と炭化珪素ベース層7とのコンタクトを取るためのベースコンタクト領域28が形成される。レジストを除去した後の断面図を図12に示す。   Next, a mask is formed on the surfaces of the first source region 11 and the second source region 12 with a resist, and p-type impurities are ion-implanted. Thereby, base contact region 28 for making contact between source electrode 23 and silicon carbide base layer 7 is formed. A cross-sectional view after removing the resist is shown in FIG.

ここで、イオン注入するp型の不純物濃度は、1×1020〜1×1022cm−3の範囲で第1ソース領域11のn型の不純物濃度を超えるものとする。また、イオン注入の深さは、炭化珪素ソース層8の厚さを超え、炭化珪素ベース層7にまで到達する深さとする。 Here, the p-type impurity concentration for ion implantation exceeds the n-type impurity concentration of the first source region 11 in the range of 1 × 10 20 to 1 × 10 22 cm −3 . The depth of ion implantation is set to a depth that exceeds the thickness of the silicon carbide source layer 8 and reaches the silicon carbide base layer 7.

次に、トレンチ13を形成する工程を行い、その後の工程はこの発明の実施の形態1と同様である。尚、ソース電極23を形成する工程では、第2ソース領域12およびベースコンタクト領域28の表面上にソース電極23を形成する。   Next, a step of forming trench 13 is performed, and the subsequent steps are the same as in the first embodiment of the present invention. In the step of forming the source electrode 23, the source electrode 23 is formed on the surfaces of the second source region 12 and the base contact region 28.

この発明の実施の形態2では、以上のように炭化珪素ソース層8をエピタキシャル成長によって形成したことにより、炭化珪素ソース層8の第1ソース領域11の不純物濃度を、炭化珪素ベース層7の不純物濃度に制限されることなく、より低い値とすることができる。第1ソース領域11の不純物濃度をより低く設定することによって、炭化珪素ソース層8の(11−20)面上に形成されたゲート絶縁膜18のリーク電流密度をより低く抑えることができる。これにより、ゲート絶縁膜18の信頼性寿命をさらに延ばすことができるという効果がある。   In Embodiment 2 of the present invention, since silicon carbide source layer 8 is formed by epitaxial growth as described above, the impurity concentration of first source region 11 of silicon carbide source layer 8 is changed to the impurity concentration of silicon carbide base layer 7. Without being limited to, it can be set to a lower value. By setting the impurity concentration of first source region 11 to be lower, the leakage current density of gate insulating film 18 formed on the (11-20) plane of silicon carbide source layer 8 can be kept lower. Thereby, there is an effect that the reliability life of the gate insulating film 18 can be further extended.

次に、n型の不純物濃度が1016cm−3台である炭化珪素層の(11−20)面上にゲート絶縁膜を形成したサンプル(以下「サンプルD」)と、n型の不純物濃度が1019cm−3台である炭化珪素層の(11−20)面上にゲート絶縁膜を形成したサンプル(サンプルA)、についてゲート絶縁膜のリーク特性を調べた実験結果を説明する。 Next, a sample (hereinafter, “sample D”) in which a gate insulating film is formed on the (11-20) plane of the silicon carbide layer having an n-type impurity concentration of 10 16 cm −3 , and an n-type impurity concentration The experimental results of examining the leakage characteristics of the gate insulating film for the sample (sample A) in which the gate insulating film is formed on the (11-20) plane of the silicon carbide layer of 10 19 cm −3 are described.

図13は、この発明の実施の形態2におけるゲート絶縁膜に印加した電界強度とリーク電流密度との関係を示すグラフである。図13において、横軸は、ゲート絶縁膜に印加した電界強度を示し、縦軸は、リーク電流密度を示す。そして、図13において、Dは、サンプルDのリーク特性、Aは、サンプルAのリーク特性をそれぞれ示している。尚、図13におけるAと図1におけるAは、同じサンプルAのデータである。   FIG. 13 is a graph showing the relationship between the electric field strength applied to the gate insulating film and the leakage current density in the second embodiment of the present invention. In FIG. 13, the horizontal axis indicates the electric field strength applied to the gate insulating film, and the vertical axis indicates the leakage current density. In FIG. 13, D indicates the leak characteristics of sample D, and A indicates the leak characteristics of sample A. Note that A in FIG. 13 and A in FIG.

また、ここでは、各サンプルにおいて、n型の不純物としては窒素を使用し、ゲート絶縁膜は、CVD法によって二酸化珪素膜を堆積することにより形成した。また、ゲート絶縁膜形成後に窒化処理を行った。   Here, in each sample, nitrogen is used as an n-type impurity, and the gate insulating film is formed by depositing a silicon dioxide film by a CVD method. Further, nitriding was performed after the gate insulating film was formed.

図13から分かるように、炭化珪素層の不純物濃度が1019cm−3台であるサンプルDでは、不純物濃度が1016cm−3台であるサンプルAと比較して、リーク電流密度が桁単位で低くなった。よって、炭化珪素層の不純物濃度がより低い方がリーク電流密度を低くすることができる、つまり、ゲート絶縁膜の信頼寿命を延ばすことができることがさらに明確となった。 As can be seen from FIG. 13, in the sample D in which the impurity concentration of the silicon carbide layer is on the order of 10 19 cm −3 , the leakage current density is on the order of digits compared to the sample A in which the impurity concentration is on the order of 10 16 cm −3. It became low. Therefore, it has been further clarified that the lower the impurity concentration of the silicon carbide layer, the lower the leakage current density, that is, the longer the reliability life of the gate insulating film.

尚、この発明の実施の形態2では、この発明の実施の形態1と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。   In the second embodiment of the present invention, portions different from the first embodiment of the present invention are described, and descriptions of the same or corresponding portions are omitted.

実施の形態3.
図14および図15は、それぞれ、この発明の実施の形態3における炭化珪素半導体装置1aの製造方法の一部を示す断面図である。図14および図15において図12と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。この発明の実施の形態2とは、ベースコンタクト領域28の設け方が相違している。
Embodiment 3 FIG.
14 and 15 are cross sectional views showing a part of a method for manufacturing silicon carbide semiconductor device 1a in the third embodiment of the present invention. 14 and 15, the same reference numerals as those in FIG. 12 denote the same or corresponding components, and the description thereof is omitted. The method of providing the base contact region 28 is different from the second embodiment of the present invention.

この発明の実施の形態3における炭化珪素半導体装置1aの製造方法について説明する。尚、ここでは、この発明の実施の形態1および2と同様の部分については説明を省略する。   A method for manufacturing silicon carbide semiconductor device 1a in the third embodiment of the present invention will be described. Here, the description of the same parts as in the first and second embodiments of the present invention will be omitted.

まず、図11に示す、炭化珪素ソース層8の第2ソース領域12を形成する工程までは、この発明の実施の形態1および2と同様である。つまり、ここでは、炭化珪素ベース層7はエピタキシャル成長によって形成されている。   First, the process up to the step of forming second source region 12 of silicon carbide source layer 8 shown in FIG. 11 is the same as in the first and second embodiments of the present invention. That is, here, silicon carbide base layer 7 is formed by epitaxial growth.

次に、第1ソース領域11および第2ソース領域12の表面上にマスクを形成し、図14に示すように、n型の炭化珪素層をエッチングして、炭化珪素ベース層7が露出するようにする。   Next, a mask is formed on the surfaces of first source region 11 and second source region 12, and as shown in FIG. 14, the n-type silicon carbide layer is etched so that silicon carbide base layer 7 is exposed. To.

次に、図15に示すように、前の工程で炭化珪素ベース層7が露出した箇所に、p型の不純物をイオン注入する。これにより、ソース電極23と炭化珪素ベース層7とのコンタクトを取るためのベースコンタクト領域28が形成される。   Next, as shown in FIG. 15, p-type impurities are ion-implanted into the portion where silicon carbide base layer 7 is exposed in the previous step. Thereby, base contact region 28 for making contact between source electrode 23 and silicon carbide base layer 7 is formed.

ここで、イオン注入するp型の不純物濃度は、1×1020〜1×1022cm−3の範囲で炭化珪素ベース層7の不純物濃度を超えるものとする。また、イオン注入の深さは、炭化珪素ベース層7の厚さを超えない深さとする。 Here, the p-type impurity concentration for ion implantation exceeds the impurity concentration of silicon carbide base layer 7 in the range of 1 × 10 20 to 1 × 10 22 cm −3 . The depth of ion implantation is set to a depth not exceeding the thickness of the silicon carbide base layer 7.

次に、トレンチ13を形成する工程を行い、その後の工程はこの発明の実施の形態1と同様である。尚、ソース電極23を形成する工程では、第2ソース領域12およびベースコンタクト領域28の表面上にソース電極23を形成する。   Next, a step of forming trench 13 is performed, and the subsequent steps are the same as in the first embodiment of the present invention. In the step of forming the source electrode 23, the source electrode 23 is formed on the surfaces of the second source region 12 and the base contact region 28.

この発明の実施の形態3では、以上のような構成としたことにより、この発明の実施の形態2と同様の効果が得られる。   In the third embodiment of the present invention, the same effects as in the second embodiment of the present invention can be obtained by adopting the configuration as described above.

尚、この発明の実施の形態3では、この発明の実施の形態1および2と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。   In the third embodiment of the present invention, portions different from the first and second embodiments of the present invention are described, and descriptions of the same or corresponding portions are omitted.

実施の形態4.
図16は、この発明の実施の形態4における炭化珪素半導体装置1bを示す断面図である。図16において、図2と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。この発明の実施の形態1とは、ゲート絶縁膜18のトレンチ13の底面17に形成された部位と接触するように、炭化珪素ドリフト層6に、p型のゲート絶縁膜保護層31を形成した構成が相違している。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 16 is a cross sectional view showing a silicon carbide semiconductor device 1b according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 16, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same or corresponding components, and the description thereof is omitted. In the first embodiment of the present invention, p-type gate insulating film protective layer 31 is formed on silicon carbide drift layer 6 so as to be in contact with the portion formed on bottom surface 17 of trench 13 of gate insulating film 18. The configuration is different.

このゲート絶縁膜保護層31は、第1保護領域32および第2保護領域33を有し、第1保護領域32の不純物濃度が、第2保護領域33の不純物濃度よりも低く設定されている。第1保護領域32は、ゲート絶縁膜18と接触するように形成され、第2保護領域33は、第1保護領域32よりも深い部位に形成されている。   The gate insulating film protection layer 31 has a first protection region 32 and a second protection region 33, and the impurity concentration of the first protection region 32 is set lower than the impurity concentration of the second protection region 33. The first protection region 32 is formed so as to be in contact with the gate insulating film 18, and the second protection region 33 is formed in a portion deeper than the first protection region 32.

尚、図16では、ゲート絶縁膜保護層31に不純物濃度が明確に異なる第1保護領域32と第2保護領域33の2つの領域を設けたが、例えばゲート絶縁膜18から遠ざかり深さ方向に進むにつれて連続的に不純物濃度が高くなるようにしてもよい。   In FIG. 16, the gate insulating film protective layer 31 is provided with two regions of the first protective region 32 and the second protective region 33 that are clearly different in impurity concentration. As the process proceeds, the impurity concentration may be continuously increased.

次に、この発明の実施の形態4における炭化珪素半導体装置1bの製造方法について説明する。図17は、この発明の実施の形態4における炭化珪素半導体装置1bの製造方法の一部を示す断面図である。尚、ここでは、この発明の実施の形態1と同様の部分については説明を省略する。   Next, a method for manufacturing silicon carbide semiconductor device 1b in the fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 17 is a cross sectional view showing a part of the method for manufacturing silicon carbide semiconductor device 1b in the fourth embodiment of the present invention. In addition, description is abbreviate | omitted here about the part similar to Embodiment 1 of this invention.

まず、図7に示す、トレンチ13を形成する工程までは、この発明の実施の形態1と同様である。   First, the process up to forming the trench 13 shown in FIG. 7 is the same as that of the first embodiment of the present invention.

次に、図17に示すように、p型のゲート絶縁膜保護層31を形成する。具体的には、トレンチ13の形成に用いたマスクを除去せずにそのまま使用して、p型の不純物をイオン注入する。   Next, as shown in FIG. 17, a p-type gate insulating film protective layer 31 is formed. Specifically, the mask used for forming the trench 13 is used without being removed, and p-type impurities are ion-implanted.

図18は、この発明の実施の形態4におけるゲート絶縁膜保護層31の深さ方向の不純物濃度プロファイルである。図18において、横軸は、炭化珪素ドリフト層6の表面からの深さを示し、縦軸は、不純物濃度を示す。イオン注入によって、図18に示すように、深さ方向に進むにつれて不純物濃度が連続的に増加し、あるところでピークに達し、さらに深さ方向に進むと連続的に減少するようなプロファイルとすることができる。   FIG. 18 is an impurity concentration profile in the depth direction of the gate insulating film protective layer 31 according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 18, the horizontal axis indicates the depth from the surface of silicon carbide drift layer 6, and the vertical axis indicates the impurity concentration. As shown in FIG. 18, by ion implantation, the impurity concentration continuously increases as it proceeds in the depth direction, reaches a peak at a certain point, and has a profile that continuously decreases as it proceeds further in the depth direction. Can do.

ここで、炭化珪素ドリフト層6の表面付近の不純物濃度が低い領域が第1保護領域32に相当し、不純物濃度がピークとなる領域付近が第2保護領域33に相当することとなる。よって、イオン注入でゲート絶縁膜保護層31を形成することによって、一度のイオン注入工程で第1保護領域32および第2保護領域33を形成することができる。尚、ここでは、一度のイオン注入工程で第1保護領域32と第2保護領域とを形成したが、別々のイオン注入工程で形成してもよい。   Here, a low impurity concentration region near the surface of the silicon carbide drift layer 6 corresponds to the first protection region 32, and a region near the peak impurity concentration corresponds to the second protection region 33. Therefore, by forming the gate insulating film protection layer 31 by ion implantation, the first protection region 32 and the second protection region 33 can be formed by a single ion implantation process. Here, although the first protection region 32 and the second protection region are formed by a single ion implantation step, they may be formed by separate ion implantation steps.

イオン注入する不純物濃度は、第2保護領域33が1×1017〜1×1019cm−3の範囲で炭化珪素ドリフト層6のn型の不純物濃度を超えるものとする。第2保護領域33の厚さは、0.5〜1μm程度であればよい。第1保護領域32の不純物濃度は、注入条件にもよるが、1×1017cm−3以下まで低くすることができる。 The impurity concentration for ion implantation is such that the second protective region 33 exceeds the n-type impurity concentration of the silicon carbide drift layer 6 within the range of 1 × 10 17 to 1 × 10 19 cm −3 . The thickness of the second protection region 33 may be about 0.5 to 1 μm. The impurity concentration of the first protective region 32 can be lowered to 1 × 10 17 cm −3 or less, depending on the implantation conditions.

次に、この発明の実施の形態1と同様に、アニールを行い、イオン注入されたアルミニウムや窒素などの不純物イオンを電気的に活性化する。   Next, as in the first embodiment of the present invention, annealing is performed to electrically activate impurity ions such as ion-implanted aluminum and nitrogen.

次に、ゲート絶縁膜保護層31を形成する際のイオン注入によって、トレンチ13の側面16にイオン注入されてしまった領域を除去するために、熱酸化を行い、その後、トレンチ13の内面をウェットエッチングする。ゲート絶縁膜保護層31の形成時のイオン注入条件にもよるが、50〜100nm程度除去すればよい。   Next, thermal oxidation is performed to remove the region that has been ion-implanted into the side surface 16 of the trench 13 by ion implantation when forming the gate insulating film protective layer 31, and then the inner surface of the trench 13 is wetted. Etch. Depending on the ion implantation conditions at the time of forming the gate insulating film protective layer 31, it may be removed by about 50 to 100 nm.

次に、ゲート絶縁膜18を形成する工程を行い、その後の工程はこの発明の実施の形態1と同様である。   Next, a step of forming the gate insulating film 18 is performed, and the subsequent steps are the same as in the first embodiment of the present invention.

この発明の実施の形態4では、以上のように、炭化珪素ドリフト層6に、トレンチ13の底面17に形成されたゲート絶縁膜18と接触してp型のゲート絶縁膜保護層31を形成したことにより、トレンチ13の底面17に形成されたゲート絶縁膜18への電界集中を緩和することができ、耐圧を向上させることができる。   In the fourth embodiment of the present invention, the p-type gate insulating film protective layer 31 is formed on the silicon carbide drift layer 6 in contact with the gate insulating film 18 formed on the bottom surface 17 of the trench 13 as described above. As a result, the electric field concentration on the gate insulating film 18 formed on the bottom surface 17 of the trench 13 can be relaxed, and the breakdown voltage can be improved.

また、図1に示すサンプルBとサンプルCの比較から分かるように、不純物濃度が高い炭化珪素層上に形成されたゲート絶縁膜18は、リーク電流密度が高くなる。よって、ゲート絶縁膜保護層31の不純物濃度を高濃度にすると、ゲート絶縁膜保護層31と接触するゲート絶縁膜18の部位においてリーク電流密度が高くなる。   As can be seen from the comparison between sample B and sample C shown in FIG. 1, the gate insulating film 18 formed on the silicon carbide layer having a high impurity concentration has a high leakage current density. Therefore, when the impurity concentration of the gate insulating film protective layer 31 is increased, the leakage current density is increased at the portion of the gate insulating film 18 in contact with the gate insulating film protective layer 31.

この発明の実施の形態4では、ゲート絶縁膜保護層31が、ゲート絶縁膜18と接触して形成された第1保護領域32と、第1保護領域32よりも深い部位に形成された第2保護領域33と、を有し、第1保護領域32の不純物濃度が、第2保護領域33の不純物濃度よりも低く設定したことにより、ゲート絶縁膜保護層31と接触するゲート絶縁膜18の部位においてリーク電流密度を低く抑えることができる。これにより、ゲート絶縁膜18の信頼性寿命を延ばすことができ、高耐圧で長寿命の炭化珪素半導体装置1bを得ることができる。   In the fourth embodiment of the present invention, the gate insulating film protective layer 31 includes a first protective region 32 formed in contact with the gate insulating film 18 and a second portion formed deeper than the first protective region 32. A region of the gate insulating film 18 in contact with the gate insulating film protective layer 31 because the impurity concentration of the first protective region 32 is set lower than the impurity concentration of the second protective region 33. The leakage current density can be kept low. Thereby, the reliability life of gate insulating film 18 can be extended, and silicon carbide semiconductor device 1b having a high breakdown voltage and a long life can be obtained.

さらに、一度のイオン注入工程で第1保護領域32および第2保護領域33を形成することができ、工程数を削減できる。   Furthermore, the first protection region 32 and the second protection region 33 can be formed by a single ion implantation step, and the number of steps can be reduced.

尚、この発明の実施の形態4では、この発明の実施の形態1と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。   In the fourth embodiment of the present invention, portions different from the first embodiment of the present invention are described, and descriptions of the same or corresponding portions are omitted.

実施の形態5.
図19は、この発明の実施の形態5における炭化珪素半導体装置1cを示す断面図である。図19において、図2と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。この発明の実施の形態1とは、炭化珪素ベース層7が、ゲート絶縁膜18と接触して形成された第1ベース領域36と、ゲート絶縁膜18と接触しないように形成された第2ベース領域37と、を有し、第1ベース領域36の不純物濃度が、第2ベース領域37の不純物濃度よりも低く設定された構成が相違している。
Embodiment 5. FIG.
FIG. 19 is a cross sectional view showing a silicon carbide semiconductor device 1c according to the fifth embodiment of the present invention. 19, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same or corresponding components, and the description thereof is omitted. The first embodiment of the present invention is that the silicon carbide base layer 7 is formed so that the first base region 36 formed in contact with the gate insulating film 18 and the second base formed so as not to contact the gate insulating film 18. And the structure in which the impurity concentration of the first base region 36 is set lower than the impurity concentration of the second base region 37 is different.

尚、図19では、炭化珪素ベース層7に不純物濃度が明確に異なる第1ベース領域36と第2ベース領域37の2つの領域を設けたが、例えばゲート絶縁膜18から遠ざかるにつれて連続的に不純物濃度が高くなるようにしてもよい。   In FIG. 19, two regions of a first base region 36 and a second base region 37 having clearly different impurity concentrations are provided in the silicon carbide base layer 7, but for example, impurities are continuously generated as the distance from the gate insulating film 18 increases. The concentration may be increased.

次に、この発明の実施の形態5における炭化珪素半導体装置1cの製造方法について説明する。図20および図21は、この発明の実施の形態5における炭化珪素半導体装置1cの製造方法の一部を示す断面図である。尚、ここでは、この発明の実施の形態1と同様の部分については説明を省略する。   Next, a method for manufacturing silicon carbide semiconductor device 1c in the fifth embodiment of the present invention will be described. 20 and 21 are cross sectional views showing a part of the method for manufacturing silicon carbide semiconductor device 1c in the fifth embodiment of the present invention. In addition, description is abbreviate | omitted here about the part similar to Embodiment 1 of this invention.

まず、図3に示す、炭化珪素ドリフト層6を形成する工程までは、この発明の実施の形態1と同様である。   First, the process up to the step of forming silicon carbide drift layer 6 shown in FIG. 3 is the same as in the first embodiment of the present invention.

次に、図20に示すように、炭化珪素ドリフト層6の表面側からp型の不純物をイオン注入し、炭化珪素ドリフト層6の表面を含む箇所にp型の炭化珪素ベース層7の第1ベース領域36を形成する。尚、イオン注入の代わりに、炭化珪素ドリフト層6の表面上に、即ち、炭化珪素ドリフト層6の表面を含む箇所に、CVD法によりエピタキシャル成長することによって炭化珪素ベース層7の第1ベース領域36を形成してもよい。ここで、第1ベース領域36のp型の不純物濃度は、例えば1×1017cm−3よりも低く設定する。 Next, as shown in FIG. 20, p-type impurities are ion-implanted from the surface side of silicon carbide drift layer 6, and the first of p-type silicon carbide base layer 7 is formed at a location including the surface of silicon carbide drift layer 6. Base region 36 is formed. Instead of ion implantation, the first base region 36 of the silicon carbide base layer 7 is epitaxially grown on the surface of the silicon carbide drift layer 6, that is, at a location including the surface of the silicon carbide drift layer 6 by the CVD method. May be formed. Here, the p-type impurity concentration of the first base region 36 is set lower than, for example, 1 × 10 17 cm −3 .

次に、炭化珪素ベース層7の第1ベース領域36の表面上にレジストによってマスクを形成し、p型の不純物をイオン注入する。これにより、炭化珪素ベース層7の第2ベース領域37が形成される。レジストを除去した後の断面図を図21に示す。イオン注入するp型の不純物濃度は、1×1017〜1×1019cm−3の範囲で、炭化珪素ドリフト層6のn型の不純物濃度、第1ベース領域36のp型の不純物濃度を超えるものとする。 Next, a mask is formed on the surface of first base region 36 of silicon carbide base layer 7 with a resist, and p-type impurities are ion-implanted. Thereby, second base region 37 of silicon carbide base layer 7 is formed. FIG. 21 shows a cross-sectional view after removing the resist. The p-type impurity concentration for ion implantation is in the range of 1 × 10 17 to 1 × 10 19 cm −3 , and the n-type impurity concentration of the silicon carbide drift layer 6 and the p-type impurity concentration of the first base region 36 are set. Exceed.

次に、炭化珪素ソース層8を形成する工程を行い、その後の工程はこの発明の実施の形態1および2と同様である。   Next, a step of forming silicon carbide source layer 8 is performed, and the subsequent steps are the same as in the first and second embodiments of the present invention.

この発明の実施の形態5では、以上のように、炭化珪素ベース層7に、ゲート絶縁膜18と接触して形成された第1ベース領域36と、ゲート絶縁膜18と接触しないように形成された第2ベース領域37と、を形成し、第1ベース領域36の不純物濃度が、第2ベース領域37の不純物濃度よりも低くなるように設定したことにより、炭化珪素ベース層8の(11−20)面上に形成されたゲート絶縁膜18のリーク電流密度をより低く抑えることができる。これにより、ゲート絶縁膜18の信頼性寿命を延ばすことができるという効果がある。   In the fifth embodiment of the present invention, as described above, the first base region 36 formed in contact with the gate insulating film 18 is formed in the silicon carbide base layer 7 so as not to contact the gate insulating film 18. The second base region 37 is formed, and the impurity concentration of the first base region 36 is set to be lower than the impurity concentration of the second base region 37, so that (11− 20) The leakage current density of the gate insulating film 18 formed on the surface can be further reduced. Thereby, there is an effect that the reliability life of the gate insulating film 18 can be extended.

例えばこの発明の実施の形態2で示したように、炭化珪素ソース層8をエピタキシャル成長によって形成する場合、炭化珪素ソース層8の不純物濃度を炭化珪素ベース層7の不純物濃度に制限されずに低く設定することが可能となる。ここで、例えば炭化珪素ベース層7の不純物濃度を1×1017〜5×1017cm−3程度に設定し、炭化珪素ソース層8の不純物濃度を1×1017cm−3程度に設定したときのように、炭化珪素ベース層7と炭化珪素ソース層8の不純物濃度の値が近いときには、炭化珪素ベース層7と接触するゲート絶縁膜18でのリーク電流が特に問題となる。従って、炭化珪素ベース層7に、ゲート絶縁膜18と接触して形成された第1ベース領域36と、ゲート絶縁膜18と接触しないように形成された第2ベース領域37と、を形成することは、炭化珪素ベース層7と炭化珪素ソース層8の不純物濃度の値が近いときに特に効果的である。 For example, as shown in the second embodiment of the present invention, when silicon carbide source layer 8 is formed by epitaxial growth, the impurity concentration of silicon carbide source layer 8 is set to a low value without being limited by the impurity concentration of silicon carbide base layer 7. It becomes possible to do. Here, for example, the impurity concentration of the silicon carbide base layer 7 is set to about 1 × 10 17 to 5 × 10 17 cm −3 , and the impurity concentration of the silicon carbide source layer 8 is set to about 1 × 10 17 cm −3 . As is the case, when the impurity concentration values of the silicon carbide base layer 7 and the silicon carbide source layer 8 are close, leakage current in the gate insulating film 18 in contact with the silicon carbide base layer 7 becomes a problem. Therefore, the first base region 36 formed in contact with the gate insulating film 18 and the second base region 37 formed not in contact with the gate insulating film 18 are formed in the silicon carbide base layer 7. Is particularly effective when the impurity concentration values of the silicon carbide base layer 7 and the silicon carbide source layer 8 are close.

尚、この発明の実施の形態5では、この発明の実施の形態1と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。   In the fifth embodiment of the present invention, portions different from the first embodiment of the present invention are described, and descriptions of the same or corresponding portions are omitted.

実施の形態6.
図22は、この発明の実施の形態5における炭化珪素半導体装置1dを示す断面図である。図22において、図2、図16および図19と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。この発明の実施の形態1、4および5とは、第1保護領域32および第2保護領域33を有するゲート絶縁膜保護層31を設け、かつ、炭化珪素ベース層7に第1ベース領域36および第2ベース領域37を設けた構成が相違している。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 22 is a cross sectional view showing a silicon carbide semiconductor device 1d according to the fifth embodiment of the present invention. 22, the same reference numerals as those in FIGS. 2, 16, and 19 denote the same or corresponding components, and the description thereof is omitted. In the first, fourth and fifth embodiments of the present invention, a gate insulating film protective layer 31 having a first protective region 32 and a second protective region 33 is provided, and the first base region 36 and the silicon carbide base layer 7 are provided. The configuration in which the second base region 37 is provided is different.

この発明の実施の形態6における炭化珪素半導体装置1dの製造方法は、実施の形態1、4および5の組み合わせであるため、説明を省略する。   Since the method for manufacturing silicon carbide semiconductor device 1d in the sixth embodiment of the present invention is a combination of the first, fourth and fifth embodiments, description thereof will be omitted.

この発明の実施の形態6では、以上のような構成としたことにより、実施の形態1、4および5の効果を兼ね備えることができる。よって、ゲート絶縁膜18をさらに長寿命化できる。   In the sixth embodiment of the present invention, the effects described in the first, fourth, and fifth embodiments can be obtained by adopting the above-described configuration. Therefore, the lifetime of the gate insulating film 18 can be further extended.

以上、この発明の実施の形態1〜6について説明した。これらの、この発明の実施の形態1〜6で説明した構成は互いに組合せることができる。   The first to sixth embodiments of the present invention have been described above. These configurations described in the first to sixth embodiments of the present invention can be combined with each other.

1a〜1d 炭化珪素半導体装置
2 炭化珪素基板
3 炭化珪素基板の一方の面
6 炭化珪素ドリフト層
7 炭化珪素ベース層
8 炭化珪素ソース層
11 第1ソース領域
12 第2ソース領域
13 トレンチ
16 トレンチの側面
17 トレンチの底面
18 ゲート絶縁膜
23 ソース電極
31 ゲート絶縁膜保護層
32 第1保護領域
33 第2保護領域
36 第1ベース領域
37 第2ベース領域
1a to 1d Silicon carbide semiconductor device 2 Silicon carbide substrate 3 One surface of silicon carbide substrate 6 Silicon carbide drift layer 7 Silicon carbide base layer 8 Silicon carbide source layer 11 First source region 12 Second source region 13 Trench 16 Side surface of trench 17 Bottom surface of trench 18 Gate insulating film 23 Source electrode 31 Gate insulating film protective layer 32 First protective region 33 Second protective region 36 First base region 37 Second base region

Claims (9)

一方の面の面方位が(0001)面である炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板の前記一方の面上に形成された第1導電型の炭化珪素ドリフト層と、
前記炭化珪素ドリフト層の表面を含む箇所に形成された第2導電型の炭化珪素ベース層と、
前記炭化珪素ベース層の表面を含む箇所に形成された第1導電型の炭化珪素ソース層と、
前記炭化珪素ソース層の表面から前記炭化珪素ベース層を貫通して形成され、(11−20)面を側面とする凹部と、
前記凹部の側面および底面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記凹部の内部を満たすように、前記ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記炭化珪素ソース層と接触して形成されたソース電極と、
前記凹部の底面に形成された前記ゲート絶縁膜と接触して、前記炭化珪素ドリフト層に形成された第2導電型のゲート絶縁膜保護層と、を備え、
前記炭化珪素ソース層は、
前記ゲート絶縁膜と接触して形成された第1ソース領域と、
前記ソース電極と接触し、かつ前記ゲート絶縁膜と離れて形成され、不純物濃度が前記第1ソース領域の不純物濃度より高く設定された第2ソース領域と、を有し、
前記ゲート絶縁膜保護層は、
前記ゲート絶縁膜と接触して形成された第1保護領域と、
前記第1保護領域よりも深い部位に形成され、不純物濃度が前記第1保護領域の不純物濃度よりも高く設定された第2保護領域と、を有すること
を特徴とする炭化珪素半導体装置。
A silicon carbide substrate in which the plane orientation of one surface is a (0001) plane;
A silicon carbide drift layer of a first conductivity type formed on the one surface of the silicon carbide substrate;
A second conductivity type silicon carbide base layer formed at a location including the surface of the silicon carbide drift layer;
A silicon carbide source layer of a first conductivity type formed at a location including the surface of the silicon carbide base layer;
A recess formed by penetrating the silicon carbide base layer from the surface of the silicon carbide source layer, and having a (11-20) plane as a side surface;
A gate insulating film formed on the side and bottom of the recess;
A gate electrode formed through the gate insulating film so as to fill the inside of the recess,
A source electrode formed in contact with the silicon carbide source layer;
A gate insulating film protective layer of a second conductivity type formed on the silicon carbide drift layer in contact with the gate insulating film formed on the bottom surface of the recess,
The silicon carbide source layer is
A first source region formed in contact with the gate insulating film;
A second source region that is in contact with the source electrode and is formed away from the gate insulating film and has an impurity concentration set higher than the impurity concentration of the first source region;
The gate insulating film protective layer is
A first protection region formed in contact with the gate insulating film;
A silicon carbide semiconductor device, comprising: a second protection region formed at a deeper position than the first protection region and having an impurity concentration set higher than the impurity concentration of the first protection region.
前記第1ソース領域の不純物濃度は、前記炭化珪素ベース層の不純物濃度よりも低く設定された請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。   2. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity concentration of the first source region is set lower than an impurity concentration of the silicon carbide base layer. 前記炭化珪素ベース層は、
前記ゲート絶縁膜と接触して形成され、前記第1ソース領域の下部に位置する第1ベース領域と、
前記ゲート絶縁膜と離れて形成され、前記第2ソース領域の下部に位置し、不純物濃度が前記第1ベース領域の不純物濃度よりも高く設定された第2ベース領域と、を有すること
を特徴とする請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体装置。
The silicon carbide base layer is
A first base region formed in contact with the gate insulating layer and located under the first source region;
A second base region formed apart from the gate insulating film and positioned below the second source region and having an impurity concentration set higher than the impurity concentration of the first base region. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1 or 2.
前記第1ベース領域の底面の深さと、前記第2ベース領域の底面の深さとが同じであることを特徴とする請求項3に記載の炭化珪素半導体装置。   The silicon carbide semiconductor device according to claim 3, wherein a depth of a bottom surface of the first base region is the same as a depth of a bottom surface of the second base region. 前記第2保護領域は、第2導電型の不純物濃度が1×1017cm−3以上1×1019cm−3以下であること
を特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
5. The second protection region according to claim 1, wherein the second protection region has an impurity concentration of a second conductivity type of 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 19 cm −3 or less. Silicon carbide semiconductor device.
前記第1ソース領域の底面の深さと、前記第2ソース領域の底面の深さとが同じであることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。   6. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein a depth of a bottom surface of the first source region is the same as a depth of a bottom surface of the second source region. 前記第2ソース領域は、第1導電型の不純物濃度が1×1018cm−3以上1×1021cm−3以下であること
を特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
7. The first source region according to claim 1, wherein the second source region has a first conductivity type impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and 1 × 10 21 cm −3 or less. The silicon carbide semiconductor device described in 1.
前記炭化珪素ソース層は、不純物濃度の異なる3つ以上の領域からなること
を特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, wherein the silicon carbide source layer includes three or more regions having different impurity concentrations.
前記ゲート絶縁膜は、酸化珪素を主成分とすることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。   The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film contains silicon oxide as a main component.
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